公路隧道初期支護(hù)侵限處理施工技術(shù)

盧聯(lián)川

山區(qū)公路隧道圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隧道穿越淺埋區(qū)、偏壓區(qū)、斷層破碎帶、遇水膨脹巖石等不良地質(zhì)地段時，常常會因?yàn)樵摱蔚乜辟Y料不準(zhǔn)確、隧道施工圖設(shè)計(jì)的初期支護(hù)類型不合理支護(hù)強(qiáng)度不夠，造成該段隧道圍巖收斂變形較大，嚴(yán)重侵界。本文通過總結(jié)公路隧道初期支護(hù)侵限處理的工藝技術(shù)，對其他公路隧道發(fā)生的同類問題處治有一定指導(dǎo)意義。

一、公路隧道初支易發(fā)生變形的不良地質(zhì)概述

（1）隧道洞口松散覆蓋層較多如耕植土，洞口段處于嚴(yán)重偏壓，一側(cè)臨河或是臨溝壑。

（2）隧道圍巖為含粘土類礦物，有各種粘土巖、頁巖及泥巖。這類巖石的特點(diǎn)是硬度小，具有可塑性，遇水膨脹、軟化和黏結(jié)。

少數(shù)火山巖如流紋質(zhì)巖石、凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r等也容易吸水膨脹。

含碳酸鹽類礦物：主要有方解石、白云石、菱鎂礦、菱錳礦等。含這類礦物多的巖石有石灰?guī)r、白云巖和泥質(zhì)灰?guī)r等，容易水解。

（3）隧道圍巖為角礫土及強(qiáng)風(fēng)化巖（強(qiáng)風(fēng)化層巖性軟弱，易出現(xiàn)較大滑層及大面積塌方）；隧道圍巖巖體極破碎、裂隙發(fā)育、成塊石與碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合差，基巖裂隙水發(fā)育。

（4）隧道穿越斷層破碎帶或隧道洞身所處段落埋深較淺且有沖溝等地表水侵入。

二、主要工藝技術(shù)難點(diǎn)

（1）隧道初支變形發(fā)生在隧道掌子面開挖后的短時間內(nèi)，掌子面出現(xiàn)塌方。

隧道開挖完后，立即進(jìn)行初期支護(hù)施工，并布設(shè)隧道監(jiān)控量測點(diǎn)（主要布設(shè)拱頂沉降點(diǎn)及水平收斂側(cè)線點(diǎn)），進(jìn)行監(jiān)控量測工作，分析隧道圍巖收斂情況。如果監(jiān)控量測測得的數(shù)據(jù)，隧道拱頂沉降值偏大，沉降速率過大，則極有可能是隧道掌子面圍巖自穩(wěn)能力較差，很容易出現(xiàn)塌方。此種情況對隧道施工生產(chǎn)安全有很大影響，對變形的初支處治難度較大。

（2）隧道初支變形發(fā)生在隧道掌子面開挖與仰拱、二次襯砌步距長度增加后。隧道圍巖收斂變形及初支變形，主要發(fā)生在以下隧道施工工序中：

1）隧道掌子面開挖爆破時，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波及震波對隧道圍巖二次擾動，造成圍巖沉降、收斂數(shù)值突增，隧道掌子面后方已經(jīng)初支的段落變形量增加。

2）隧道多臺階開挖時，每開挖一層臺階，隧道臨空面增加，則圍巖的豎向應(yīng)力增加，都會對后方臨近段落的圍巖產(chǎn)生影響，尤其是部分不良地質(zhì)段落，從而加大了初支的變形量。

3）隧道仰拱開挖時，仰拱對應(yīng)的初支段落變形量增加。

4）隧道二次襯砌及仰拱到掌子面的距離越長，超過隧道安全步距則初支段落的沉降越大。

隧道施工安全步距一般規(guī)定：仰拱距離掌子面的距離要求Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段不大于90m；Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段不大于50m。二次襯砌距離掌子面的距離要求Ⅰ、Ⅱ級圍巖地段不大于200m；Ⅲ級圍巖地段不大于120m；Ⅳ、Ⅴ級圍巖地段不大于90m。

（3）隧道圍巖處于斷層破碎帶或地表埋深淺、地表水量充沛地段，極易造成初支變形量持續(xù)增加，變形曲線很難趨向穩(wěn)定。

三、主要技術(shù)措施

針對隧道現(xiàn)場施工技術(shù)瓶頸積極進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)與研究，形成了多套成熟配套的技術(shù)，為隧道初支變形處治的實(shí)施提供了保障。主要綜合應(yīng)用和形成了以下成熟與配套的技術(shù)體系：

隧道掌子面開挖完成后發(fā)生塌方，會造成后方初支段落拱架的變形，嚴(yán)重時初支拱架直接彎折變形。塌方發(fā)生時，首先撤離現(xiàn)場全部人員，等待塌方體堆積至初支未受影響段，通過觀察，塌腔暫時穩(wěn)定時，停止掌子面的掘進(jìn)，先處理掌子面處的塌方，后處理初支變形的拱架。

（1）塌方體暫時穩(wěn)定后，掌子面處進(jìn)行反壓回填，反壓回填土可進(jìn)行注漿保證其密實(shí)穩(wěn)固。反壓回填的主要目的是防止隧道塌方體繼續(xù)堆積下壓下滑造成安全隱患，危及現(xiàn)場作業(yè)人員安全。

（2）根據(jù)塌方堆積體判斷塌腔大小，對塌腔采用豎向小導(dǎo)管注漿或是采用大管棚灌注混凝土，在塌腔和隧道掌子面上部范圍形成一個混凝土保護(hù)殼（層），混凝土保護(hù)殼（層）厚度根據(jù)塌腔體積大小來確定，厚度通常為1～2m。該工序確保了塌方處理完后，隧道掌子面繼續(xù)開挖施工的安全。

（3）在進(jìn)行小導(dǎo)管注漿或是大管棚灌注混凝土?xí)r，預(yù)留塌腔體的吹砂管，后期對塌腔進(jìn)行吹砂或顆粒材料，在混凝土保護(hù)殼外形成緩沖層，確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

隧道圍巖處于不良地質(zhì)段落時，圍巖應(yīng)力釋放持續(xù)時間長，且具有突然大量釋放的特點(diǎn)。使得錨噴支護(hù)持續(xù)變形，突然開裂。變形嚴(yán)重的開裂部位存在鎖腳錨管和錨桿與噴射混凝土出現(xiàn)滑移的現(xiàn)象。裂縫逐步發(fā)展，出現(xiàn)初支表面混凝土受環(huán)向方向的擠壓而翹起、脫殼、繼而剝離、脫落，露出鋼拱架。隧道掌子面的安全步距距離過長，隧道初支變形加大，此時立刻停止掌子面施工，對初支變形段落進(jìn)行處治。

隧道圍巖處于斷層破碎帶或地表埋深淺、地表水量充沛地段，初支變形持續(xù)增加，此時需要進(jìn)行該段支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)處理，并進(jìn)行換拱處理。

初支變形處治措施：

（1）采用激光斷面儀或全站儀測量掃描初支變形段落的斷面，獲得精確斷面測量數(shù)據(jù)及圖形，根據(jù)數(shù)據(jù)圖形確定需換拱段落、范圍。對侵入凈空的拱架拆除換拱，并增加預(yù)留變形量。

（2）隧道初支變形需處治的段落、范圍確定后，對該段落既有支護(hù)及圍巖進(jìn)行預(yù)加固措施。

①對該段圍巖進(jìn)行環(huán)向小導(dǎo)管注漿加固，在既有初支每兩榀拱架中間位置，環(huán)向間距0.5～1.0m 范圍內(nèi)設(shè)置φ50 注漿小導(dǎo)管。導(dǎo)管長4.0m，采用1：0.8 水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力為0.8 ～1.2Mpa。

②底部增設(shè)I20 工字鋼臨時仰拱，噴射混凝土厚度26cm。

③對應(yīng)鋼拱架隔榀安裝門形鋼架支撐，鋼架采用I20a工字鋼，與拱架連接處鑿出拱架混凝土保護(hù)層，與拱架焊接牢固。換拱前按照隧道實(shí)際斷面搭設(shè)支撐鋼架，其主要作用是依靠臨時支撐與變形初支建立臨時連接，限制初支劇烈變形，避免壓漿或置換過程中原初期支護(hù)拱架失穩(wěn)，對換拱部位兩側(cè)的初支形成保護(hù)，維持其穩(wěn)定

（3）同一部位換拱鑿除混凝土不超過2 榀，并間隔2 榀進(jìn)行?；炷凌彸捎萌斯わL(fēng)鎬進(jìn)行，不得采用大型設(shè)備振動沖擊鑿除，新舊工字鋼采用鋼板幫焊連接。

（4）換拱段設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)片，貼近圍巖設(shè)置一層，鋼拱架內(nèi)側(cè)設(shè)置一層。

（5）新?lián)Q拱架采用鎖腳錨管且內(nèi)置螺紋鋼進(jìn)行加固，長度4.5m，并灌漿加固。

（6）換拱段初支混凝土強(qiáng)度等級C25，摻入鋼纖維3%～6%。

（7）換拱結(jié)束后立刻布設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)進(jìn)行觀測，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)分析圖表，初支變形曲線趨于穩(wěn)定，在仰拱混凝土施做至距離掌子面20m 后，才能恢復(fù)隧道掌子面開挖工作。

特殊軟巖地質(zhì)構(gòu)造下初支變形出現(xiàn)多次換拱處治的技術(shù)措施：

（1）案例

①云南小磨高速公路買賣河1 號隧道小勐養(yǎng)端軟巖地段施工。隧道開挖揭示地質(zhì)情況為灰質(zhì)泥巖。經(jīng)過現(xiàn)場勘察并結(jié)合隧道EH4 成果圖確定：該段地質(zhì)為地表第四系松散覆蓋層，隧道圍巖地質(zhì)為褐色泥巖，層理發(fā)育，薄片狀，遇水及空氣發(fā)生膨脹崩解。開挖過程中未見明顯塌方，但支護(hù)完成后，明顯可見拱架一側(cè)發(fā)生鼓包，通過監(jiān)控量測實(shí)測最大沉降速率為23.5mm/d，最大收斂速率為63.3mm/d（連續(xù)5 天平均速率），累計(jì)最大沉降量為451mm，累計(jì)最大收斂量為655mm。

②上述公路隧道的軟巖段，在經(jīng)過第一次換拱施工后，通過監(jiān)控量測觀測到初支變形趨于穩(wěn)定，但是隨著隧道圍巖掌子面開挖、上下臺階開挖、仰拱開挖都會突然加劇初支變形量，造成需要二次換拱，極大的增加了施工難度和施工成本。

（2）針對特殊軟巖地質(zhì)構(gòu)造的隧道，尤其是泥巖裂隙水豐富的隧道圍巖，通過監(jiān)控量測和地質(zhì)素描判斷為特殊軟巖段時，應(yīng)立即停止掌子面開挖，及時開挖仰拱進(jìn)行支護(hù)并澆筑混凝土，盡早讓隧道初支閉合成環(huán)。仰拱混凝土至隧道掌子面的步距調(diào)整到10m 以內(nèi)，減少開挖對圍巖的多次擾動。及時澆筑二次襯砌，確保圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（3）在對特殊軟巖地質(zhì)構(gòu)造的段落進(jìn)行第一次換拱時，圍巖加固采用自進(jìn)式注漿錨桿，錨桿長度不小于6m。新更換拱架采用上下雙層鋼拱架結(jié)構(gòu)，底部增加槽鋼托梁，采用鎖腳錨管加U 型卡加固鋼拱架。噴射混凝土采用鋼纖維砼。

（4）換拱完畢，初支變形處治結(jié)束，二次襯砌及時施做。盡可能的減少二次襯砌、仰拱與隧道掌子面的步距，這樣才能確保隧道特殊軟巖地質(zhì)段落開挖時，對已支護(hù)段落初支影響最小避免多次換拱。

四、結(jié)語

（1）隧道施工時應(yīng)該依據(jù)“新奧法”原理，嚴(yán)格按照“超前探測、超前支護(hù)、短進(jìn)尺、弱爆破、少擾動、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測”的工藝要求進(jìn)行施工，確保圍巖穩(wěn)定，杜絕圍巖塌方等大事故造成損失，安全通過不良地質(zhì)段。

（2）施工時，加強(qiáng)監(jiān)控量測工作，提供真實(shí)、可靠、準(zhǔn)確的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場量測掌握圍巖和支護(hù)的變化參數(shù)，加強(qiáng)動態(tài)管理，以指導(dǎo)施工作業(yè)。增設(shè)專職安全人員，做好洞內(nèi)外沉降及變形觀察記錄，發(fā)現(xiàn)安全隱患，立即匯報(bào)，采取應(yīng)急措施，確保整個施工階段安全生產(chǎn)。